Lumped element modeling of circular cmut in collapsed mode
Dairesel cmut için çökme modu eşdeğer devre modeli
- Tez No: 348729
- Danışmanlar: PROF. DR. ABDULLAH ATALAR, PROF. DR. HAYRETTİN KÖYMEN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2014
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 78
Özet
Kapasitif mikroişlenmiş ultrasonik çevirici (CMUT), ultrasonik görüntüleme, ultrason terapisi, havada uygulamalar başta olmak üzere pek çok uygulamada akustik kaynak ve algılayıcı olarak gelecek vaat eden bir mikroelektromekanik yapıdır. Havada asılı bir membrana yerleştirilmiş bir elektrod ile altındaki zeminde serili bir elektroddan oluşmaktadır ve bu sayede iki elektrod arasında elektrik alan oluşturularak membranın bükülmesi sağlanmaktadır. Benzer şekilde, membranı hareket ettiren herhangi bir kuvvet elektrodlar arasındaki kapasitansta bir değişim olarak algılanabilmektedir. CMUT, lineer olmayan ve uzayda yayılmış hareketi olan bir cihazdır. Mekaniği, basit anlamda bir yay-kütle sistemi olsa da, üzerindeki elektrik kuvvetin ve radyasyon empedansının lineer olmaması, analitik denklemlerle çözülmesini engellemektedir. Bir uygulamanın gereksinimlerine dönük tasarım yaparken, CMUT davranışını simüle edebilmek için FEA (sonlu eleman analizi) ya da eşdeğer devre modeli kullanılmaktadır. FEA simulasyonları, CMUT'ın uzayda yayılmış davranışını yüksek doğrulukla öngörebilmektedir, ancak işlem yükünün çok fazla olması bu yöntemin sadece birkaç CMUT'ı modellemek için kullanılmasına izin vermektedir. Son yıllarda gelişmeler kaydedilen eşdeğer devre modeli çalışmaları, binlerce CMUT içeren dizilerin bile yüksek doğrulukla modellenmesine imkan sağlamıştır. Bu modeller, çökme öncesi modda CMUT lar için kullanılmakta, yüksek nonlineeriteye sahip çökme modunu içermemektedirler. Bu tez, çökme modunda CMUTlar için yüksek doğruluğu olan bir eşdeğer devre modeli oluşturulmasını amaçlamaktadır. Tezin çıktısı, herhangi bir fiziksel ve maddesel parametre setine sahip bir CMUT'ın rastgele bir sinyalle sürülmesinin simüle edilebildiği, parametrik bir eşdeğer devre modelidir. Çökme modunda, membranın yay sabiti çökme öncesi moddaki gibi sabit değildir ve artan çökme yarıçapıyla birlikte artmaktadır. Benzer şekilde, kapasitans, elektriksel kuvvet ve radyasyon empedansı da çökme öncesi moddan farklı davranışa sahiptir. Bu parametrelerin hiçbiri için analitik bir formulasyon yapılamadığından, herbiri numerik hesaplamalar sonucunda formulize edilmektedir. Modelleme prosedürü şu şekilde özetlenebilir: Öncelikle, çökme modunda membran profilini, gerçek elektriksel kuvvet dağılımını kullanarak hesaplıyoruz. Ardından bu profili kullanarak, kapasitansı, elektriksel kuvveti ve yay sabitini buluyoruz. Farklı pek çok CMUT boyutunda, farklı basınç ve voltaj seviyeleri için bu hesaplamaları gerçekleştirerek, her bir parametrenin rms çökme değerine bağlı davranışını ortaya çıkarıyoruz. Sonra bu parametreleri rms çökmenin fonksiyonu olarak ifade ederek, eşdeğer devre modelini oluşturuyoruz. Modeli çökme modundaki CMUTlar için hesaplanmış radyasyon empedansını kullanarak tamamlıyoruz. Ayrıca modeli, çökme öncesi mod modeliyle bütünleştirerek, CMUT davranışını kapsayan tek bir model elde ediyoruz. Bu modelle, CMUTın alıcı ve verici olarak, küçük ve büyük sinyal operasyonları, herhangi bir sürme rejiminde simule edilebilmektedir. Elde ettiğimiz sonuçlar, FEA sonuçlarıyla uyumlu olmuştur.
Özet (Çeviri)
Capacitive micromachined ultrasonic transducer is a microelectromechanical device, which serves as an acoustic signal source or sensor, in a variety of applications including medical ultrasound imaging, ultrasound therapy, airborne applications. It has a suspended membrane with an electrode inside, and at the underlying substrate there is another electrode, so that the membrane can be deflected by the electrical field formed between the electrodes. Similarly, any mechanical disturbance on the membrane can be sensed as a change in the capacitance of the two electrodes. CMUT is a nonlinear device which has a distributed mechanical operation. Although, it is a mass-spring system basically, the nonlinear electrical force and the radiation force makes it impossible to solve CMUT through analytical equations. In order to predict its behavior, and design a CMUT towards the needs of a specific application, either finite element analysis or equivalent electrical circuit modeling should be utilized. Finite element analysis (FEA) can predict the distributed CMUT operation with high accuracy, but its usage is limited to designs employing low number of CMUTs because of the computation cost. Recently, advances in equivalent circuit modeling, made it possible to simulate arrays employing very high number of CMUTs, with high accuracy. These models assume uncollapsed mode operation and except collapsed mode operation as it is highly nonlinear. This thesis focuses on obtaining an accurate equivalent circuit model for a circular CMUT in collapsed mode. The outcome is a parametric circuit model, that can simulate a CMUT of any physical and material parameters, under an arbitrary electrical or mechanical excitation. In collapsed mode, the compliance of the membrane is no longer constant as in uncollapsed mode, and it increases with increasing contact radius. Similarly, the capacitance, the electrical force and the radiation impedance all have new behavior regarding the contact radius. As there is no analytical solution for those parameters, we perform numerical calculations and extract expressions for each of them. First, we calculate the collapsed membrane deflection, utilizing the exact electrical force distribution in the analytical formulation of membrane deflection. Then we use the deflection profile to calculate the capacitance, electrical force, and compliance. Performing a set of calculations for different CMUT dimensions, different pressure and voltage levels, we obtain dependencies of those parameters on rms deflection. Then we develop a lumped element model of collapsed membrane operation, expressing the parameters as functions of rms deflection. The radiation impedance for the collapsed mode is also included in the model. The model is then merged with the uncollapsed mode model to obtain a simulation tool that handles all CMUT behavior, in transmit or receive. Large- and small-signal operation of a single CMUT can be fully simulated for any excitation regime. The results are in good agreement with FEM simulations.
Benzer Tezler
- Optimization of collapsed mode cmut receiver for maximum off-resonance sensitivity
Çökme modu cmut alıcısının rezonans altı duyarlılık hassasiyet eniyileştirilmesi
MANSOOR KHAN
Doktora
İngilizce
2018
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAYRETTİN KÖYMEN
- Deep collapse mode capacitive micromachined ultrasonic transducers
Derin çökme modunda kapasitif mikroişlenmiş ultrasonik çeviriciler
SELİM OLÇUM
Doktora
İngilizce
2010
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDULLAH ATALAR
PROF. DR. HAYRETTİN KÖYMEN
- Circuit theory based modeling and analysis of CMUT arrays
CMUT dizinlerinin devre teorisi tabanlı modellenmesi ve analizi
HÜSEYİN KAĞAN OĞUZ
Doktora
İngilizce
2013
Bilim ve Teknolojiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
PROF. DR. HAYRETTİN KÖYMEN
PROF. DR. ABDULLAH ATALAR
- Geliştirilmiş sonlu elemanlar algoritması ile düzlem elasto-plastik betonarme çerçeve sisteminin modellenmesi
Modeling of plane elasto-plastic reinforced concrete frame system with developed finite element algorithm
SEMİHA HAYRİOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
İnşaat MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SERKAN BEKİROĞLU
- Electromechanical filters using micromachined coupled circular plate resonators
Kuplajlı dairesel mikroişlenmiş rezonatörleri kullanan elektromekanik filtreler
MUHAMMED ABDULCELİL ACAR
Doktora
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAYRETTİN KÖYMEN
PROF. DR. ABDULLAH ATALAR